PO

Report 7 Downloads 109 Views
Undergraduate  and  Graduate   Category:  Physical  and  Life  Sciences   Degree  Level:  Bachelor  of  Science   Abstract  ID  #340

 

Young  but  Immuno-­‐competent:  Phenoloxidase  Ac?vity  in  Termite  Eggs  and  Larvae  

Abstract  

AcCvaCon  of  the  phenoloxidase  (PO)  proteolyCc  cascade  is  a  mechanism  by  which  insects  cope  with   infecCous  agents.  The  quanCficaCon  of  the  enzyme  phenoloxidase  can  serve  as  a  proxy  for   esCmaCng  potenCal  immune  capabiliCes  in  an  insect.  PO  exists  in  both  an  acCve  (PO)  and  an   inacCve  form  (pro-­‐PO),  and  the  amount  of  both  can  differ  as  a  funcCon  of  the  insect’s  size,  age,   gender  and  immunological  state.    The  dampwood  termite  Zootermopsis  angus/collis  is  a  eusocial   insect  that  thrives  in  a  wet,  dark  wooden  environment.  These  feeding/nesCng  condiCons  also  foster   the  development  of  a  variety  of  microbes,  posing  significant  pathogenic  threats  to  colonies.  While   amounts  of  PO  have  been  measured  in  termites,  no  study  has  ever  aWempted  to  quanCfy  PO  in   insect  eggs.  Researchers  have  dismissed  eggs  as  too  small  and/or  too  immature  to  exhibit  PO   acCvity.  Here,  we  demonstrate,  for  the  first  Cme,  that  pro-­‐PO  and  PO  are  present  in  termite  eggs,   albeit  in  small  quanCCes.  We  also  demonstrate  that  the  expression  of  the  inacCve  and  acCve  forms   vary  as  the  embryo  progresses  through  its  development:  older  embryos  have  higher  levels  of  PO   than  recently  ferClized  eggs.  Whether  the  levels  of  PO  translate  into  higher  resistance  to  infecCon   remains  to  be  tested.  Yet,  the  presence  of  these  enzymes  in  the  most  immature  stage  of  the  life   cycle  of  a  termite  point  to  the  role  that  pathogens  play  in  the  evoluCon  and  ontogeny  of   mechanisms  of  disease  resistance.      

Suzanne  Kent,  Erin  Cole,  and  Rebeca  Rosengaus  

Results  

Total  PO  AcCvity  

Figure  5:  PO  ac?vity  in  worker   termites  compared  to  the  larvae   and  eggs.    The  level  of  PO  in   eggs  and  larvae  in  negligible   compared  to  that  of  workers  

Figure  1:  King  (leJ)  and  queen   (right)  termites  

IntroducCon  

•  Insects,  including  Zootermopsis  angus/collis  (Fig.1)   have  an  immune  system  that  protects  them  against   foreign    microbial  invasion.   •  MelanizaCon,  the  pathway  of  melanin  formaCon   (Fig.2),  and  encapsulaCon  of  pathogens  depends  on   PO  and  plays  a  crucial  role  in  insect  immunity     •  PO=proxy  to  measure  potenCal  immune  capabiliCes   of  an  insect   •  Z.  angus/collis  thrives  in  wet,  dark  wooden   environments  which  fosters  the  growth  of  microbes.   •  PO  has  never  been  measured  in  the  embryo  stage  of   Zootermopsis    

Figure  8:  Three  stages  of  termite  eggs  and  1st   instar  larvae   0        6      12    18    24    30  36  42    48    54    60    66    72  78  84  90  96  102  108  114  120    

Conclusion  

Time  (mins)  

Total  PO  AcCvity   Figure  2:  The  melaniza?on  pathway  that   takes  place  in  insects.  Prophenoloxidase   (ProPO)  is  cleaved  in  order  to  become  the   ac?ve  form,  pheloxidase  (PO)  

Figure  6:  Young  larvae   contain  ~10  ?mes  more   total  PO  ac?vity  than  the   eggs.  The  total  PO  is  also   ~10  ?mes  the  amount  of   the  ac?ve  circula?ng  PO,   see  Figure  7.      

Materials  and  Methods  

•  Mature  colonies  of  Z.  angus/collis  were  collected   from  the  Redwood  East  Bay  Regional  Park  in   California  and  maintained  at  Northeastern  University   •  Eggs  were  obtained  from  these  colonies  or  young   colonies  founded  in  the  lab  (Fig.3).  Eggs  and  larvae  in   PBS  were  sonicated  to  break  open  the  Cssue.   •  50  μL  of  a  sonicated  sample  were  placed  in  a   microplate  well  with  either  70  μL  of  chymotrypsin   (total  PO)  or  PBS  (acCve  PO)  and  with  150  μL  of  an  L-­‐ dopa  soluCon  were  added  as  a  substrate  for  the  PO   that  ulCmately  generated  melanin.   •  The  plate  was  placed  in  a  Synergy  HT-­‐I   spectrophotometer,  and  the  absorbance  was   measured  every  two  minutes  at  492  nm  for  a  total  of   two  hours  .  Samples  turn  brown  in  direct  proporCon   to  the  amount  of  PO    in  them  (Fig.  4).  

0        6      12    18    24    30  36  42    48    54    60    66    72  78  84  90  96  102  108  114  120    

Time  (mins)  

AcCve  (CirculaCng)  PO  AcCvity  

Figure  3:  Pile  of  termite  eggs  and  young   incipient  colony  where  eggs  and  young   larvae  are  collected  from  

Figure  7:  Circula?ng  PO  is  much   lower  than  total  PO.  The  young   larvae  have  ~10  ?mes  more  PO   than  the  eggs.  Yet  even  Stage  2   and  3  eggs  (Fig.  8)  had   detectable  levels  of  ac?ve  PO.  

•  Workers  have  approximately  100x  more   total  PO  acCvity  than  eggs  per   microliter  and  ~10x  more  than  young   larvae.   •  The  larvae  have  approximately  10x   more  total  PO  acCvity  than  eggs  per   microliter   •  Such  differences  in  PO  acCvity  are  likely   due  to  differences  in  the  expression  level   of  PO-­‐related  genes  in  termites  as  they   mature   •  Stage  1  egg  results  are  not  shown  in  the   results  because  their  data  produced   many  outliers   •  This  inconsistent  data  could  be  caused  by   the  vitogellin  bubbles  as  seen  in  Fig.  8   •  This  differenCal  expression  of  PO  has   never  before  been  examined  or   quanCfied  in  such  young  insects     •  •  • 

Figure  4:  Micro  plate  with  samples.  The   darker  color  represents  the  melanin.  The   darker  rows  beneath  the  lighter  rows   represent  samples  that  contain   chymotrypsin.    

References  

Rosengaus,  R.B.,  Traniello,  J.F.A.  2001.  Disease  suscepCbility  and  the  adapCve   nature  of  colony  demography  in  the  dampwood  termite  Zootermopsis   angus/collis.  Behavioral  Ecology  and  Sociobiology,  50:546–556.   Tsakas,  S.,  Marmaras,  V.J.  2010.  Insect  immunity  and  its  signaling:  an  overview.   ISJ,  7:  228-­‐238.   Vilmos,  P.,  Kurucz,  E.,  1998.  Insect  immunity:  evoluConary  roots  of  the   mammalian  innate  immune  system.  Immunology  LeWers  62:  59-­‐66.  

Acknowledgements  

0        6      12    18    24    30  36  42    48    54    60    66    72  78  84  90  96  102  108  114  120    

Time  (mins)  

Theo  Bowe,  Natalie  Grace  Schulz,  John  Paul  ThoWam,  Lyndie  Parker,  Esha   Parikh,  Grace  Lee,  Maeve  Tobin,    Sam  Bosch.    We  thank  the  Godoy  lab  and   Ryan  Benson  for  the  use  of  lab  equipment  and  the  Epstein  lab  for  the  use   of  the  sonicator.